3D 打印技术大潮来袭

公司

2012-05-02 09:50

根据 Businesweek 报道,一家跟踪 3D 打印行业的咨询公司 Wohlers Associates 称,如今 3D 打印机的市场规模在 17 亿美元左右。随着销售量的迅猛增长,公司预测,到 2015 年该市场的规模将达 37 亿美元。

著名的《经济学人》最近描述了 3D 打印技术的前景——这是一种新型的生产方式,能够促成第三次工业革命。

在我们的认知中,工业革命以往发生过两次。第一次工业革命以蒸汽机的发明为标志,认为新的技术革命产生了流水式作业的方式,单一大批量的生产某种产品,这催生了工厂与工人,也让制造业从原始的手工制造转为机械制造。第二次工业革命同样也是一次技术革命,以电力、无线电、钢铁和化学等领域的巨大发展为标志,在各个不同领域进步的影响下,人们的生产方式也发生了变化,这一次工厂不再满足于单一产品的生产,而是转为大规模生产。

那么第三次工业革命与前两次工业革命相比,有何不同之处?《经济学人》指出,在 3D 打印技术得到广泛运用的情况下,制造业也许不再运用工厂这种将人力、资金、设备等生产要素大规模集中化的生产方式,而转变为一种以 3D 打印机为基础的,更加灵活、所需要投入更少的生产方式。《经济学人》将这种趋势称之为“社会化制造(Social Manufacturing)”,当这种方式得到广泛的运用,那么每个人都可以是一家工厂

杂志同时用一张图来形象的表明第三次工业革命会带来的变化:

为什么 3D 打印机将成为一种生产工具?为什么 3D 打印技术将改变人类的生产方式?

如果是从事着建筑和设计行业的人,他们对 3D 打印技术其实并不陌生,因为他们经常需要用到一种叫“快速成型”的技术,将设计的原型给制作出来,展示给客户看。在从前,这种原型的制作非常麻烦,因为工厂首先需要制作一个模具,然后把原料浇铸在里面,这样才能把原型制作出来。但当工厂制作完成之后,模具就变得没有用处——这种生产方式浪费原料,生产成本自然比较高,所需要的生产周期自然也比较长。

与这种先制作模具,然后才能把设计原型制作出来的生产方式相比,3D 打印机拥有相当的优异性,它能够一次性、直接地把客户所需要的设计原型给制作出来。由于无需经过制作模具这一步骤,客户能够节约时间,工厂能够节约成本,同时所制作出来的物体,也将和设计图纸一样,能够更加精确。

原因在于,3D 打印机能够直接将物体“打印”出来——首先人们能够通过电脑创建一个三维设计图(通常是 STL 或 CAD 文件),然后打印机对这个立体原型进行“切片”,分成一层一层的,然后打印机开始工作,将原材料按照设计图一层又一层的叠加上去,直到最终成型。当然,3D 打印机所使用的材料,自然不是喷墨打印机里面的墨水,而是一些可以发生固化反应的材料,现在可以作为原材料的东西已经多种多样,包括树脂、塑料、陶瓷、金属等等。

实际上,发明家 Charles Hull 生产出第一台 3D 打印机以来,3D 打印技术已经发展了近 30 个年头。而从一个为设计书、建筑师、实验室生产原型的工具,到媒体、大众所关注的议题。这种变化体现了 3D 打印技术在这几十年间取得的突飞猛进的发展,设备的价格从昂贵到便宜,性能从低下到强大,设备体积从大到小,使用范围从窄到广。

1986 年,Charles Hull 离开了原来为之工作的 Ultra Violet Products,开始成立一家名为 3D Systems 的公司,开始专注发展 3D 打印技术,这是世界上第一家生产 3D 打印设备的公司,而它所采用的技术被称之为“立体光刻(Stereolithography)”,利用紫外线照射将树脂凝固成形,以此来制造物体。到 1988 年,3D Systems 开始生产第一台 3D 打印机 SLA-250,体型非常庞大:

自 1986 年之后,涌现了很多不同的 3D 打印技术:

  • 1988 年,Scott Crump 发明了另外一种 3D 打印技术 Fused Deposition Modeling,并成立公司 Stratasys。这个技术的特点是它能利用腊、ABS、PC、尼龙等热塑性材料来制作物体,具备性能优良的特点;
  • 1989 年,C.R. Dechard 发明 Selective Laser Sintering,利用高强度激光将材料粉末烤结,直至成型。这种技术的特点在选材范围广泛,比如尼龙、腊、ABS、金属和陶瓷粉末等都可以作为原材料;
  • 1992 年,Helisys 发明 Laminated Object Manufacturing,利用薄片材料、激光、热熔胶来制作物体。然而该 3D 打印技术的原材料一直仅限于纸,性能低下;
  • 1993 年,麻省理工大学教授 Emanual Sachs 发明 Three-Dimensional Printing 技术(非本文泛指的 3D 打印技术),利用金属、陶瓷等粉末,通过粘接剂在一起成型。这种技术的有点在于制作速度快,价格低廉,然而成品的强度较低。1995 年,Z Corporation 获得麻省理工大学的许可,利用技术来生产 3D 打印机。
  • 1996 年,3D Systems、Stratasys、Z Corporation 分别推出 Actua 2100、Genisys、Z402,第一次使用了“3D 打印机”的称谓。
  • 2005 年,Z Croporation 发布 Spectrum Z510,这是世界上第一台高精度彩色 3D 打印机;同一年,英国巴恩大学的 Adrian Bowyer 发起开源 3D 打印机项目 RepRap,它的目标是作出“自我复制机”,通过 3D 打印机本身,能够制造出另一台 3D 打印机。
  • 2008 年,第一版 RepRap 发布,代号“Darwin”,能够打印自身 50% 的元件,它的体积仅一个箱子大小。

从这段发展历史中,我们可以看出,随着 3D 打印技术的种类变多,3D 打印机可选的原材料范围也在变广,从树脂到塑料到陶瓷到金属。然而,最重要的是,3D 打印机的价格在下降,1999 年 3D Systems 的 SLA 7000 要价 80 万美元,而公司今年年初推出的 Cube 要价仅 1299 美元。而且,Cube 性能不低,不仅支持彩色打印,还支持无线连接,免费提供设计软件,让平板电脑发挥设计的潜力。

除了 3D System 这样老牌的 3D 打印机生产商以外,一些新兴的 3D 打印机生产商也把目标放在“低价 3D 打印机”上,比如 2009 年成立的 MakerBot,它的产品就只有 1749 美元。不仅如此,最近创立的 Soldoodle 所生产的 3D 打印机仅 499 美元(Basic 版)。而在 Kickstarter 上,出现了售价仅为 300 美元的 3D 打印机 Makibox

个人电脑的普及,也让 3D 打印机的价格下降。回顾前文中 SLA-250 的外观,我们会发现它就是一个工作站,不仅包括了负责将物体打印出来的 3D 打印机部分,还有负责设计的电脑部分。在 1988 年,电脑的价格不像现在这般便宜,也不如现在这般普遍,将 3D 打印机连同电脑一起卖给客户,是当时合理的选择。然而,时至今日,电脑已经得到了广泛的应用,而且性能有了长足的进步,3D 打印机不必连同电脑一起卖给客户,价格自然得到了降低。此外,以往价格高昂 3D 设计软件也有越来越多的价格低廉的替代品,有些甚至是完全免费的开源软件,比如 123D、OpenSCAD、Tinkercard。这些因素都让 3D 打印成本得到降低。

随着 3D 打印机的成本越来越低,围绕着它所提供的服务也越来越多。最典型的,就像参加 CES 2012 的 Sculpteo,它允许用户上传或直接在网站设计 3D 草图,然后公司将物体打印出来之后,再快递到用户的手中(Sculpteo 还有商城等其它服务)。

最近几年关于 3D 打印的消息层出不求,它的使用范围越来越广。比如:

  • 3D 打印的原材料扩展到金、银以及强度极高的,还有不锈钢;
  • 德国 Voxljet 制造了尺寸为 4m x 2m x 1m 的 3D 打印机;
  • Cornell 大学尝试利用 3D 打印机直接打印出食物出来;
  • Exeter 大学的研究人员,制造出以巧克力为原材料的 3D 打印机;
  • 哈佛大学的实验室开发可以实现生物细胞打印的设备;
  • 德国 Fraunhofer Institue 利用 3D 打印技术将血管给打印了出来;
  • Loughborough 大学的一个研究小组正在尝试让混凝土成为 3D 打印的原材料;
  • Organovo 开始研究如何利用 3D 打印机来打印人体器官。

总结以上的趋势,那就是 3D 打印技术的部署成本越来越低,以现在的价格,几乎每个人都可以拥有一台 3D 打印机。而随着选材范围越来越广,3D 打印机可制作的物品越来越多,从汽车、飞机零件,到食物,到人体器官等等。加之如今网络的发达,每个人都能够成立一个像 Sculpteo 这样的网站,按客户需求,个性化定制物品,让“社会化制造”成为可能。

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